用于制造空心注塑产品的水溶性芯材

1. 概述：

图 1. 利用水溶性芯材和（a）壳材制备空心产品的制备流程；（b）制备带壳水溶性芯材；（c）将两个芯材壳材包覆在模腔中；（d）成型皮层；（e）将产品从模具中取出；（f）切掉包覆芯材的两端；（g）将产品浸入水浴中溶解芯材；（h）得到最终产品。

2. 摘要或引言

摘要：采用传统方法制造无需任何组装工序的复杂空心产品，例如塑料进气歧管，是十分困难的。 注塑成型方法。为了解决这个问题，人们开发了熔芯技术，该技术使用低熔点合金作为牺牲芯；然而，树脂类型选择有限以及巨大的资本投入导致该技术推广缓慢。本文建立了一种新方法，该方法可以生产出类似的产品，且不受树脂类型的限制，同时能耗更低。本文提出了一种包覆芯的概念，即由水溶性芯材和外壳组装而成；它既能提供刚性又能提供韧性，以抵抗过程中的压力。 注塑成型工艺流程：包覆型芯的形状与目标产品的内轮廓一致。采用嵌件成型工艺，在包覆型芯表面包覆一层表皮。切掉包覆型芯的末端，将其浸入水浴中。当壳内的水溶性芯材溶解后，即可得到具有特定内轮廓的产品。以三通接头为例，展示了该方法的应用。采用田口方法确定了型芯的最佳成分和工艺参数。结果表明，当型芯的抗压强度大于2 MPa时，该产品能够成功成型。此外，最佳样品的内轮廓偏心率提高了56%，且型芯取出所需时间小于154 s。

3. 研究背景：

研究课题背景：

制造业 复杂的空心产品，例如塑料进气歧管，采用传统工艺注塑成型这些方法面临着诸多挑战。传统方法通常需要将产品拆分成多个子组件，然后进行机械紧固或粘接等组装工序。这些组装步骤会增加制造成本，累积尺寸误差[5,6]，并在最终产品中形成薄弱点，可能导致在高压或重载下发生故障。此外，粘接过程可能涉及化学溶剂，从而造成环境污染。

现有研究现状：

现有的空心产品制造技术包括“可拆卸或可坍塌芯材技术”，例如砂芯。 金属 浇铸[7]和聚合物芯材，例如聚甲醛（POM）或聚苯乙烯（PS）泡沫，可用于树脂传递模塑（RTM）。盐芯也因其“良好的水溶性”而被使用[7-11]。然而，“RTM工艺产生的压力远低于塑料注射成型工艺”，这使得脆性盐芯在成型过程中容易开裂和移位。注塑成型使用低熔点合金作为牺牲芯的“熔芯技术”[12]改进了这些方法，但存在“树脂类型选择有限和资本投入巨大”的缺点。另一种使用“水溶性聚乙烯醇（PVOH）图案”[13]的方法也存在，但它与熔芯技术的区别在于其模腔内的支撑机制。

研究的必要性：

尽管目前已有空心产品制造方法，但仍需改进，尤其是在以下方面： 注塑成型，用于生产“特殊空心产品”。目前的方法，例如熔芯技术，在树脂兼容性和成本方面存在局限性，而盐芯技术则难以直接应用于…… 注塑成型由于其脆性，因此需要一种新的方法来克服这些限制，并实现通过以下方式高效、灵活地制造复杂的空心零件： 注塑成型。

4. 研究目的和研究问题：

研究目的：

本研究旨在建立一种利用……制造复杂空心产品的新方法 注塑成型针对现有技术的局限性，本文提出的方法着重于“由水溶性芯材与外壳组装而成的包覆芯材”，旨在生产“不受树脂类型限制且能耗更低”的产品。该方法旨在提供一种“兼具刚性和韧性，能够承受压力”的芯材。 注塑成型过程”。

主要研究：

主要研究方向包括：

1. 开发和表征由氯化钠（盐）和海藻糖（粘合剂）组成的水溶性核心材料。
2. 设计和实施一种采用水溶性芯材和塑料外壳的“包覆式芯材”系统。
3. 利用田口方法优化“芯材成分和加工参数”，以获得足够的芯材强度。
4. 通过制造具有复杂内部轮廓的三通接头产品来证明所提出方法的可行性。
5. 评估“粘合剂含量、施加压力、加工温度和加工时间对模塑产品的芯材强度和尺寸精度以及芯材去除率的影响”。

研究假设：

该研究假设：

1. 一种由水溶性芯材和塑料外壳组成的包覆式芯材，可以承受以下压力： 注塑成型与裸露的水溶性核心不同。
2. 利用田口方法优化水溶性芯材的组成（盐和粘合剂的比例）和加工参数（压力、温度、时间），可以制备出具有足够抗压强度的芯材。 注塑成型。
3. 所提出的包覆芯材方法将能够制造具有复杂内部几何形状的空心产品，例如三通接头，并提高尺寸精度和芯材去除效率。

5. 研究方法

研究设计：

本研究采用基于田口方法的实验设计，优化水溶性芯材的配方和加工参数。研究内容包括制备不同成分、不同加工条件下的水溶性芯材，并对所得模塑产品进行力学性能测试和评价。选择T型接头产品作为该方法的应用实例。

数据收集方法：

数据收集采用以下方法：

1. 压缩试验：采用“宏达试验机（HT-2402，台湾台中）”按照ASTM D695-15和C473-15标准测量水溶性芯材的抗压强度。试样为圆柱形，尺寸为“直径和高度均为35毫米×35毫米”。
2. 尺寸测量：使用坐标测量机（Brown & Sharpe Co., Ltd.，Inspector classic，North Kingston, RI, USA）对模制三通接头产品的几何精度进行评估。计算内部轮廓的偏心率以量化尺寸精度。
3. 芯材去除率测量：岩芯去除率是通过测量盐芯溶解过程中水浴电导率的变化来确定的，测量采用的是电导率仪（DF）。机器人 SEN0244)”，“TDS（总溶解固体）探头”，以及“数据采集板（DFRduino UNO R3）”。

分析方法：

使用以下方法对收集的数据进行分析：

1. 田口方法：一个“L9(3⁴采用正交表设计实验，确定岩芯制备的最佳参数。采用信噪比和方差分析分析结果，识别显著因素。
2. 偏心率计算：使用公式（2）和（3）计算偏心率，以量化内部轮廓与完美圆的偏差。
3. 核心去除率计算：根据电导率测量结果，利用公式（4）计算岩芯去除率。

研究对象及范围：

该研究主要集中在以下几个方面：

1. 材料：水溶性芯材由“氯化钠（盐）”和“海藻糖（粘合剂）”组成，外壳和表皮层由“丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS，POLYLAC PA-757，台湾奇美公司）”制成。
2. 产品：如图 3 所示，具有特定内部轮廓的 T 型接头。
3. 工艺参数：芯材制备的粘结剂含量、施加压力、加工时间和加工温度，以及壳层和皮层的成型参数。 注塑成型
4. 如“表2”所示。

6. 主要研究成果：

主要研究成果：

1. 最佳核心参数：田口方法确定了水溶性芯材制备的最佳参数为“A3B3C2D3”，对应于特定的粘合剂含量、施加的压力、加工时间和加工温度。
2. 抗压强度：最佳型芯的抗压强度达到“3.2 MPa”，比表3中列出的实验5的最大强度提高了“17.2%”。当型芯的抗压强度大于2 MPa时，所提出的产品可以“成功成型”。
3. 尺寸精度提升：与采用非最优参数制作的样品相比，最优样品的内部轮廓偏心率测量结果显示“改善了56%”。偏心率从“26.3%降低到11.5%”。
4. 核心移除时间：最佳岩芯的移除所需时间为“小于 154 秒”。

对所呈现数据的分析：

• 图 7展示了“盐岩芯的压缩应力应变曲线及其与设定参数的关系”，显示了采用不同参数组合制备的岩芯的抗压强度。
• 图 9图“样品内部轮廓偏心率测量”对比了最佳样品和损毁样品在五个位置的偏心率。结果表明，最佳样品在大多数位置的偏心率值均低于损毁样品。
• 图 10图示为“（a）最低强度组的岩芯去除率和（b）最高强度组的岩芯去除率”，显示了不同抗压强度岩芯的溶解速率。强度越高的岩芯溶解所需时间越长。

图名列表：

图 2. 设计流程示意图：（a）指定产品，（b）根据产品内部轮廓生成的壳体模型的两半，（c）组装成壳体的核心草图，（d）包裹的核心，（e）完全覆盖核心的蒙皮模型，以及（f）切出支撑机构。

图 3. 指定三通接头 (K0)、芯材 (K1)、壳体模型 (K2) 和蒙皮层模型 (K3) 的示意图。

图 4. (a) 型芯和型腔嵌件的草图，以及 (b) 测试模具的半侧面。

图 5. (a) 模制产品的偏心率测量和 (b) 为每个样品测量定义的五个位置。

图 6. 岩芯去除率测量的示意图。

图 7. 盐岩芯的压缩应力-应变曲线与设定参数的关系。

图 8.续

图 8. (a) 指定产品 T 型接头的照片；(b) 由最佳参数 A3B3C2D3 制成的样品的截面图；以及 (c) 由设置参数 A2B1C2D3 制成的样品的截面图。

图 9. 样品内部轮廓的偏心率测量。图 10. (a) 最低强度组的芯材去除率和 (b) 最高强度组的芯材去除率。

• 图 1. 利用水溶性芯材和（a）壳材制备空心产品的制备流程；（b）制备带壳水溶性芯材；（c）将两个芯材壳材包覆在模腔中；（d）成型皮层；（e）将产品从模具中取出；（f）切掉包覆芯材的两端；（g）将产品浸入水浴中溶解芯材；（h）得到最终产品。
• 图 2. 设计流程示意图：（a）指定产品，（b）根据产品内部轮廓生成的壳体模型的两半，（c）组装成壳体的核心草图，（d）包裹的核心，（e）完全覆盖核心的蒙皮模型，以及（f）切出支撑机构。
• 图 3. 指定三通接头 (K0)、芯材 (K1)、壳体模型 (K2) 和蒙皮层模型 (K3) 的示意图。
• 图 4. (a) 型芯和型腔嵌件的草图，以及 (b) 测试模具的半侧面。
• 图 5. (a) 模制产品的偏心率测量和 (b) 为每个样品测量定义的五个位置。
• 图 6. 岩芯去除率测量的示意图。
• 图 7. 盐岩芯的压缩应力-应变曲线与设定参数的关系。
• 图 8. 续。
• 图 9. 样品内部轮廓的偏心率测量。
• 图 10. (a) 最低强度组的芯材去除率和 (b) 最高强度组的芯材去除率。

7. 结论：

主要发现总结：

该研究成功展示了一种利用包覆式水溶性芯材制造空心注塑产品的新方法。主要发现包括：(1) 包覆式芯材概念，将水溶性芯材和外壳相结合，能够实现 注塑成型（1）针对复杂空心零件。（2）采用田口方法进行优化，确定了芯材制备的最佳参数，从而提高了抗压强度。（3）所提出的方法显著提高了尺寸精度，偏心率降低了56%。（4）芯材去除过程高效，最佳芯材的溶解时间小于154秒。

该研究的学术意义：

这项研究对以下领域做出了贡献： 注塑成型通过引入和验证包覆式水溶性芯材的概念，该研究拓展了水溶性芯材的应用范围，使其从低压成型工艺扩展到高压成型工艺。该研究为水溶性芯材的材料组成和加工参数提供了宝贵的见解，并针对高压成型工艺进行了优化。 注塑成型应用方面。采用田口方法进行岩心优化，并对尺寸精度和岩心去除率进行详细评估，提高了研究的学术严谨性和实际相关性。

实际意义：

本文提出的方法为制造复杂的空心塑料零件提供了一种切实可行的替代方案，可取代现有技术。它克服了熔芯工艺的局限性，例如树脂类型限制和高昂的初始投资。该方法使用易得且廉价的材料（盐和糖）作为熔芯，同时能耗更低、易于实施，使其在工业应用中极具吸引力。该方法可用于以经济高效且环保的方式制造具有特殊内部轮廓的产品，例如进气歧管。高效的熔芯去除工艺进一步提升了其实用性。

研究的局限性及未来研究方向：

本文的结论部分并未明确指出研究局限性或未来研究方向。然而，根据现有研究，潜在的局限性和未来研究方向可能包括：

1. 进一步研究适用于壳体和表皮层的聚合物范围。虽然本研究使用了ABS，但探索与其他工程塑料的兼容性将有助于拓宽该方法的适用范围。
2. 探索该工艺的规模化生产可行性。目前的研究已证明其在实验室规模上的可行性；但仍需进一步研究以优化工艺，使其适用于大规模生产。
3. 研究贝壳材料的可重复利用性和回收利用性，以及从废液中回收盐和糖的潜力，以进一步提高环境可持续性。
4. 探索 T 型接头以外的更复杂的产品几何形状，以充分展示包络芯材方法的通用性。
5. 进一步优化岩芯去除工艺，以减少溶解时间和用水量。